JP7470566B2 - Fuel cell separator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method for manufacturing the same.
燃料電池は、水素と酸素の反応を利用してエネルギーを取り出す電池である。当該反応によって生成するのは水であるため、燃料電池は地球環境に優しい電池として知られている。特に、固体高分子型燃料電池は、高出力密度を可能とし、小型で軽量であることから、自動車、通信機器、電子機器等のバッテリーとして有力視され、また一部実用化されている。燃料電池は、複数個のセルを積み重ねて構成されたセルスタックである。セルとセルとの間には、セパレータと称する壁部材が配置されている。セパレータは、隣同士になる水素と酸素の通路を仕切る隔壁板であり、水素と酸素がイオン交換膜の全面にわたって均一に接触して流れる役割を担っている。このため、セパレータには、その流路となる溝が形成されている。 A fuel cell is a battery that extracts energy by utilizing the reaction between hydrogen and oxygen. As the reaction produces only water, fuel cells are known as environmentally friendly batteries. In particular, solid polymer fuel cells are considered promising as batteries for automobiles, communication devices, electronic devices, etc., as they enable high power density and are small and lightweight, and some have been put to practical use. A fuel cell is a cell stack made up of multiple cells stacked on top of each other. Wall members called separators are placed between the cells. The separator is a partition plate that separates the passages for hydrogen and oxygen that are adjacent to each other, and plays the role of allowing hydrogen and oxygen to flow in contact with each other evenly across the entire surface of the ion exchange membrane. For this reason, the separator has grooves that serve as the flow paths.
セパレータは、その構成材料の観点で、金属材料系と、炭素材料系とに大別される。金属材料系のセパレータには、一般的に、ステンレススチール、アルミニウム若しくはその合金、あるいはチタニウム若しくはその合金が使用される。金属材料系のセパレータは、金属特有の強度と延性に起因して、加工性に優れ、かつ薄型化が可能である。しかし、金属材料系のセパレータは、後述の炭素材料系のセパレータに比べて比重が大きく、燃料電池の軽量化に反する。さらに、金属材料系のセパレータは、耐腐食性が低く、材料によっては不動態皮膜を形成するという欠点を有する。金属材料の腐食あるいは不動態皮膜は、セパレータの電気抵抗の上昇につながるので、好ましくない。金属材料系のセパレータの耐食性を改善するために貴金属をめっきあるいはスパッタ等によるコートする場合には高コスト化を招くが、当該高コスト化を防ぐために、セパレータの表面に形成される流路の凸部をフォトレジスト膜で形成する方法が知られている(特許文献1を参照)。 Separators are broadly classified into metallic and carbon materials based on the material of their construction. Stainless steel, aluminum or its alloy, or titanium or its alloy are generally used for metallic separators. Metallic separators have excellent workability and can be thinned due to the strength and ductility inherent to metals. However, metallic separators have a higher specific gravity than carbon separators described below, which goes against the weight reduction of fuel cells. Furthermore, metallic separators have the disadvantage of low corrosion resistance and forming a passivation film depending on the material. Corrosion of metallic materials or a passivation film is undesirable because it leads to an increase in the electrical resistance of the separator. Coating metallic separators with precious metals by plating or sputtering, etc., increases costs, but a method is known in which the convex parts of the flow paths formed on the surface of the separator are formed with a photoresist film to prevent such high costs (see Patent Document 1).
一方、炭素材料系のセパレータは、金属材料系のセパレータに比べて比重が小さく、耐食性にも優れるという利点を有する。しかし、炭素材料系のセパレータは、加工性および機械的強度に劣る。また、さらなる低電気抵抗化(すなわち、さらなる高導電性化)の要求もある。機械的強度の改善方法としては、例えば、熱可塑性樹脂に黒鉛粒子を分散させたセパレータが知られている(特許文献2を参照)。 On the other hand, carbon material-based separators have the advantage of being smaller in specific gravity and more corrosion resistant than metal material-based separators. However, carbon material-based separators are inferior in workability and mechanical strength. There is also a demand for even lower electrical resistance (i.e., even higher conductivity). One method of improving mechanical strength is a separator in which graphite particles are dispersed in a thermoplastic resin (see Patent Document 2).
熱可塑性樹脂に黒鉛粒子を分散させる方法は、ある程度、セパレータの高強度化を実現できる。しかし、炭素材料系のセパレータには、さらなる高強度化が要求される。また、高導電性化およびガスの透過を防止する性能であるガスバリア性に優れることも要求される。 The method of dispersing graphite particles in a thermoplastic resin can increase the strength of the separator to a certain extent. However, carbon material-based separators are required to be even stronger. They are also required to have high electrical conductivity and excellent gas barrier properties, which are the ability to prevent gas permeation.
本発明は、強度、導電性およびガスバリア性に優れた燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。 The objective of the present invention is to provide a fuel cell separator that has excellent strength, electrical conductivity, and gas barrier properties.
(1)上記目的を達成するための一実施形態に係る燃料電池用セパレータは、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレートと、フィルムとを備え、前記プレートの表面に、流路としての溝を備え、前記フィルムは、前記溝と前記プレートの前記溝以外の表面とを含み、前記プレートの少なくとも表側の面および裏側の面を被覆している。
(2)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムは、前記プレートを包んでいても良い。
(3)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムは、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリフェニレンスルファイドの内の少なくとも1つを主材としたフィルムであっても良い。
(4)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムの厚さは、2μmm以上100μm以下であっても良い。
(5)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記樹脂の主材および前記フィルムの主材は同一種類の熱可塑性樹脂であっても良い。
(6)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記プレートを構成する前記樹脂および前記フィルムの少なくとも一方はポリフェニレンスルファイドを主材としても良い。
(7)上記目的を達成するための一実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレートと、フィルムとを備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、金型内に、前記フィルムを形成するための第1フィルムを配置する第1フィルム配置工程と、前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、前記プレートの表面に流路としての溝を備える溝付きプレート、または前記溝付きプレートに溝を備えていない状態のプリプレートの内のいずれか1つの被成形物を、前記第1フィルム上に配置する被成形物配置工程と、前記フィルムを形成するための第2フィルムを、前記被成形物上に配置する第2フィルム配置工程と、前記被成形物を前記第1フィルムと前記第2フィルムによって挟んだ状態にて前記金型を閉じて成形を行い、前記第1フィルムおよび前記第2フィルムを前記溝付きプレートの表面に付着させる成形工程と、を含む。
(8)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記被成形物は、前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、または前記プリプレートであって、前記金型の内側に、前記溝の転写用の凹凸を備え、前記成形工程では、前記凹凸を備えた前記金型を用いて、前記混合物または前記プリプレートの成形、前記溝の形成、および前記混合物または前記プリプレートの成形体の表側の面および裏側の面への前記第1フィルムと前記第2フィルムの付着を行っても良い。
(9)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記被成形物は、前記溝付きプレートであって、前記金型の内側に、前記溝に挿入可能な凹凸を備え、前記成形工程では、前記金型を用いて、前記溝付きプレートの表側の面および裏側の面への前記第1フィルムと前記第2フィルムの付着を行っても良い。
(10)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形工程により、前記第1フィルムと前記第2フィルムとが接着して袋状の前記フィルムとなって前記溝付きプレートを包むようにしても良い。
(11)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記混合物中の前記樹脂がフレーク状の樹脂粉末であっても良い。
(12)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記樹脂の主材および前記フィルムの主材は同一種類の熱可塑性樹脂でも良い。
(13)別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記プレートを構成する前記樹脂および前記フィルムの少なくとも一方はポリフェニレンスルファイドを主材としても良い。
(1) In order to achieve the above object, one embodiment of a fuel cell separator comprises a plate whose constituent materials are granular or fibrous graphite and granular or fibrous resin, and a film, the plate has a groove on a surface thereof as a flow path, and the film includes the groove and the surface of the plate other than the groove, and covers at least the front and back surfaces of the plate.
(2) In a fuel cell separator according to another embodiment, the film may wrap the plate.
(3) In a fuel cell separator according to another embodiment, the film may be a film whose main material is at least one of polyether ether ketone and polyphenylene sulfide.
(4) In a fuel cell separator according to another embodiment, the film may have a thickness of 2 μmm or more and 100 μm or less.
(5) In a fuel cell separator according to another embodiment, the main material of the resin and the main material of the film may be the same type of thermoplastic resin.
(6) In a fuel cell separator according to another embodiment, at least one of the resin and the film constituting the plate may be made primarily of polyphenylene sulfide.
(7) To achieve the above object, one embodiment of a method for manufacturing a fuel cell separator includes a plate containing granular or fibrous graphite and granular or fibrous resin as constituent materials, and a film, and includes the following steps: a first film positioning step of positioning a first film for forming the film within a mold; a molding object positioning step of positioning, on the first film, an object to be molded, which is one of a mixture of at least the graphite and the resin, a grooved plate having grooves on the surface of the plate as flow paths, or a preplate in which the grooved plate does not have grooves; a second film positioning step of positioning a second film for forming the film on the object to be molded; and a molding step of closing the mold with the object to be molded sandwiched between the first film and the second film, and attaching the first film and the second film to the surface of the grooved plate.
(8) In another embodiment of the method for manufacturing a fuel cell separator, the workpiece may be a mixture of at least the graphite and the resin, or the preplate, and the inside of the mold may have an irregularity for transferring the groove, and in the molding process, the mold having the irregularity may be used to mold the mixture or the preplate, form the groove, and adhere the first film and the second film to the front and back surfaces of the molded body of the mixture or the preplate.
(9) In another embodiment of the method for manufacturing a fuel cell separator, the workpiece may be the grooved plate, and the inside of the mold may have projections and recesses that can be inserted into the grooves, and in the molding process, the mold may be used to attach the first film and the second film to the front and back surfaces of the grooved plate.
(10) In another embodiment of the method for manufacturing a fuel cell separator, the molding process may cause the first film and the second film to be bonded together to form a bag-shaped film that encases the grooved plate.
(11) In the method for producing a fuel cell separator according to another embodiment, the resin in the mixture may be a flaky resin powder.
(12) In the method for manufacturing a fuel cell separator according to another embodiment, the main resin material and the main film material may be the same type of thermoplastic resin.
(13) In the method for manufacturing a fuel cell separator according to another embodiment, at least one of the resin and the film constituting the plate may be made mainly of polyphenylene sulfide.
本発明によれば、強度、導電性およびガスバリア性に優れた燃料電池用セパレータを提供できる。 The present invention provides a fuel cell separator with excellent strength, electrical conductivity, and gas barrier properties.
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the embodiment described below does not limit the invention according to the claims, and not all of the elements and combinations thereof described in the embodiment are necessarily essential to the solution of the present invention.
1.燃料電池用セパレータ
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの平面図を示す。図2は、図1の燃料電池用セパレータのA-A線断面図およびその一部Bの拡大図を示す。
1. Fuel Cell Separator Fig. 1 shows a plan view of a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 shows a cross-sectional view of the fuel cell separator taken along line AA in Fig. 1 and an enlarged view of a portion B thereof.
この実施形態に係る燃料電池用セパレータ(以後、単に、「セパレータ」ともいう。)1は、平面視で略矩形の板状体である。セパレータ1は、燃料電池において、電解質膜の両面を空気極と水素極によって挟んだ膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly: MEA)の両側から挟む板状体である。この実施形態では、セパレータ1は、水素極(「アノード電極」ともいう)側に配置されるアノード側セパレータと、空気極(「カソード電極」ともいう)側に配置されるカソード側セパレータと、を含むように広義に解釈される。 The fuel cell separator (hereinafter, simply referred to as "separator") 1 according to this embodiment is a plate-like body that is approximately rectangular in plan view. The separator 1 is a plate-like body that is sandwiched from both sides of a membrane electrode assembly (MEA) in a fuel cell, in which both sides of an electrolyte membrane are sandwiched between an air electrode and a hydrogen electrode. In this embodiment, the separator 1 is broadly interpreted to include an anode-side separator arranged on the hydrogen electrode (also referred to as "anode electrode") side, and a cathode-side separator arranged on the air electrode (also referred to as "cathode electrode") side.
セパレータ1は、その厚さ方向に貫通する貫通孔11,12,21,22を備える。貫通孔11,21は、セパレータ1の一端側に配置されている。貫通孔12は、セパレータ1を平面視した際に、貫通孔21と対向して、セパレータ1の上記一端側と反対に位置する他端側に配置されている。貫通孔22は、セパレータ1を平面視した際に、貫通孔11と対向するように、セパレータ1の上記一端側と反対に位置する他端側に配置されている。セパレータ1の一面側(表面側)には、流路としての溝30が形成されている。溝30以外の表面31は、溝30に対して凸面となっている。また、セパレータ1の上記一面側の反対側の面(裏面側)には、流路としての溝32が形成されている。溝32以外の表面31は、溝32に対して凸面となっている。
The separator 1 has through
セパレータ1がカソード側セパレータの場合、貫通孔11は、酸化ガスの供給口である。貫通孔12は、酸化ガスの排出口である。貫通孔21は、水素ガスの排出口である。貫通孔22は、水素ガスの供給口である。酸化ガスは、例えば、空気であるが、酸素でも良い。セパレータ1の表面側の溝30は、酸化ガスを流すための流路である。セパレータ1の裏面側の溝32は、冷却水を流すための流路である。図1では、白矢印にて、酸化ガスの流れを示す。
When separator 1 is a cathode separator, through
セパレータ1がアノード側セパレータの場合、貫通孔11は、水素ガスの供給口である。貫通孔12は、水素ガスの排出口である。貫通孔21は、酸化ガスの排出口である。貫通孔22は、酸化ガス供給口である。セパレータ1の表面側の溝30は、水素ガスを流すための流路である。セパレータ1の裏面側の溝32は、冷却水を流すための流路である。
When separator 1 is an anode separator, through
セパレータ1は、プレート2と、フィルム3とを備えている。プレート2は、グラファイトと樹脂とを含む成形体であり、溶融後に固化した樹脂中にグラファイトが分散した微細構造を有する。プレート2を構成するグラファイトの成形前の形態は、好ましくは、粒状若しくは繊維状である。プレート2を構成する樹脂の成形前の形態は、好ましくは、粒状若しくは繊維状である。ここで、粒状は、フレーク状(薄片状ともいう)の形態も含む。また、繊維状は、ウィスカー状の形態も含む。成形前のグラファイトと樹脂の各形態のより好適な組み合わせは、粒状若しくは繊維状のグラファイトとフレーク状の樹脂の組み合わせである。プレート2は、セパレータ1の溝30,32に相当する溝を備えている。
The separator 1 includes a plate 2 and a film 3. The plate 2 is a molded body containing graphite and resin, and has a microstructure in which graphite is dispersed in the resin that has solidified after melting. The graphite constituting the plate 2 is preferably granular or fibrous before molding. The resin constituting the plate 2 is preferably granular or fibrous before molding. Here, granular includes a flake-like (also called thin-piece) form. Furthermore, fibrous includes a whisker-like form. A more suitable combination of the graphite and resin forms before molding is a combination of granular or fibrous graphite and flake-like resin. The plate 2 includes grooves corresponding to the
プレート2を構成する樹脂は、特に制約されないが、好ましくは熱可塑性樹脂である。プレート2としてより好適な樹脂は、耐熱性に優れた樹脂であり、具体的には、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミド(PA)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)、ポリエーテルケトン(PEK)、液晶ポリマー(LCP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリフェニルサルフォン(PPSU)、ポリエーテルイミド(PEI)およびポリスルフォン(PSU)を例示できる。これらの中でも、PPSまたはPEEKが特に好適である。PPSとしては、東レ(株)製のM2888、E2180、大日本インキ化学工業(株)製のFZ-2140、FZ-6600を例示できる。 The resin constituting the plate 2 is not particularly limited, but is preferably a thermoplastic resin. A resin more suitable for the plate 2 is a resin with excellent heat resistance, and specific examples thereof include polyphenylene sulfide (PPS), polyether ether ketone (PEEK), polyamide (PA), polyether ketone ether ketone ketone (PEKEKK), polyether ketone (PEK), liquid crystal polymer (LCP), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyimide (PI), polyamide imide (PAI), polyether sulfone (PES), polyphenyl sulfone (PPSU), polyether imide (PEI) and polysulfone (PSU). Among these, PPS or PEEK is particularly suitable. Examples of PPS include M2888 and E2180 manufactured by Toray Industries, Inc., and FZ-2140 and FZ-6600 manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc.
プレート2の成形前に用いられる樹脂の平均粒径は、好ましくは1μm以上300μm以下、より好ましくは5μm以上150μm以下、さらにより好ましくは10μm以上100μm以下である。ここで、平均粒径は、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定法にて測定される粒径をいう。以後の平均粒径の測定方法も同様である。 The average particle size of the resin used before molding the plate 2 is preferably 1 μm or more and 300 μm or less, more preferably 5 μm or more and 150 μm or less, and even more preferably 10 μm or more and 100 μm or less. Here, the average particle size refers to the particle size measured by a laser diffraction/scattering type particle size distribution measurement method. The measurement method for the average particle size hereinafter is the same.
プレート2を構成するグラファイトは、人造黒鉛、膨張黒鉛、天然黒鉛などのいずれでもよい。ここで、膨張黒鉛とは、グラファイト(黒鉛)の正六角形平面を重ねた構造の特定の一面に他の物質層が入り込むこと(=インターカレーション)によって黒鉛層間を拡張させた黒鉛若しくは黒鉛層間化合物をいう。膨張黒鉛としては、例えば、富士黒鉛工業(株)製のBSP-60A(平均粒子径60μm)あるいはEXP-50SMを、人造黒鉛としては、例えば、オリエンタル産業(株)製の1707SJ(平均粒子径125μm)、AT-No.5S(平均粒子径52μm)、AT-No.10S(平均粒子径26μm)、AT-No.20S(平均粒子径10μm)、あるいは日本黒鉛工業(株)製PAG,HAGを、天然黒鉛としては、富士黒鉛工業(株)製のCNG-75N(平均粒子径43μm)あるいは日本黒鉛工業(株)製のCPB(鱗状黒鉛粉末、平均粒子径19μm)を、それぞれ用いることができる。また、黒鉛粒子の形状については、特に制約は無く、薄片状、鱗片状、球状など適宜選択することができる。さらに、グラファイトは、非晶質の炭素(アモルファスカーボン)を一部に含んでいても良い。 The graphite constituting the plate 2 may be any of artificial graphite, expanded graphite, natural graphite, etc. Here, expanded graphite refers to graphite or graphite intercalation compounds in which the graphite layers are expanded by intercalating a specific surface of a structure in which regular hexagonal planes of graphite (graphite) are stacked. Examples of expanded graphite include BSP-60A (average particle size 60 μm) and EXP-50SM manufactured by Fuji Graphite Industries Co., Ltd., and examples of artificial graphite include 1707SJ (average particle size 125 μm), AT-No. 5S (average particle size 52 μm), AT-No. 10S (average particle size 26 μm), and AT-No. 10S (average particle size 26 μm), manufactured by Oriental Sangyo Co., Ltd. 20S (average particle size 10 μm), or PAG or HAG manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and as natural graphite, CNG-75N (average particle size 43 μm) manufactured by Fuji Graphite Industries Co., Ltd., or CPB (scale graphite powder, average particle size 19 μm) manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd. can be used. There are no particular restrictions on the shape of the graphite particles, and they can be appropriately selected from flakes, scales, spherical shapes, etc. Furthermore, the graphite may contain a portion of amorphous carbon.
プレート2の成形前に用いられるグラファイトの平均粒径は、好ましくは1μm以上500μm、より好ましくは3μm以上300μm以下、さらにより好ましくは10μm以上150μm以下である。 The average particle size of the graphite used before forming the plate 2 is preferably 1 μm or more and 500 μm or less, more preferably 3 μm or more and 300 μm or less, and even more preferably 10 μm or more and 150 μm or less.
グラファイトと樹脂とは、別々に粒径を調整してから混合してプレート2の成形用に用いても良く、あるいは先に混錬後、粉砕し、粒径を調整してプレート2の成形用に用いても良い。グラファイトと樹脂とを混錬後、粉砕し、粒径を調整する場合には、混合粉末の平均粒径は、好ましくは1μm以上500μm、より好ましくは3μm以上300μm以下、さらにより好ましくは10μm以上150μm以下である。 Graphite and resin may be mixed together after adjusting the particle size separately and used to form plate 2, or they may be kneaded together first, pulverized, and their particle size adjusted before being used to form plate 2. When graphite and resin are kneaded together, pulverized, and their particle size adjusted, the average particle size of the mixed powder is preferably 1 μm or more and 500 μm or less, more preferably 3 μm or more and 300 μm or less, and even more preferably 10 μm or more and 150 μm or less.
プレート2を構成するグラファイトと樹脂の質量比は、グラファイト:樹脂=70~95質量部:30~5質量部である。例えば、5質量部の樹脂に対して、70質量部以上95質量部以下の範囲のグラファイトを混合してセパレータ1の構成材料とすることができる。また、例えば、30質量部の樹脂に対しても、同様に、70質量部以上95質量部以下の範囲のグラファイトを混合してセパレータ1の構成材料とすることができる。セパレータ1は、樹脂よりもグラファイトを質量比にて多く含むのが好ましい。グラファイトと樹脂とのより好適な質量比は、樹脂1質量部に対して、グラファイト10質量部、若しくはグラファイト10.1質量部以上20質量部以下である。上述のように、樹脂の質量部よりもグラファイトの質量部を多くすると、従来のセパレータよりも、グラファイト同士の接触部位が多くなり、もって、セパレータ1の電気抵抗をより低く(すなわち、導電性をより高く)することができる。セパレータ1の代表的なサンプルでは、体積抵抗値は5mΩcmまたはそれ以下である。 The mass ratio of graphite and resin constituting plate 2 is graphite:resin = 70-95 parts by mass:30-5 parts by mass. For example, 5 parts by mass of resin can be mixed with 70 parts by mass or more and 95 parts by mass or less to form the constituent material of separator 1. Similarly, for example, 30 parts by mass of resin can be mixed with 70 parts by mass or more and 95 parts by mass or less to form the constituent material of separator 1. Separator 1 preferably contains more graphite than resin in mass ratio. A more suitable mass ratio of graphite to resin is 10 parts by mass of graphite, or 10.1 parts by mass or more and 20 parts by mass or less of graphite, per 1 part by mass of resin. As described above, when the parts by mass of graphite are more than the parts by mass of resin, the number of contact points between graphite particles is greater than that of conventional separators, and thus the electrical resistance of separator 1 can be lowered (i.e., the electrical conductivity can be increased). A representative sample of separator 1 has a volume resistivity of 5 mΩcm or less.
フィルム3は、溝30,32とプレート2の溝30,32以外の表面31とを含み、プレート2の少なくとも表側の面および裏側の面を被覆している。すなわち、フィルム3は、溝30,32の内側の面も含めてプレート2の表側の面および裏側の面の両面を被覆している。フィルム3は、表側の面を被覆する第1フィルム4および裏側の面を被覆する第2フィルム5の2種類を分離して、あるいは融着して成る。この実施形態では、フィルム3は、第1フィルム4と第2フィルム5とに分かれ、プレート2の表側の面および裏側の面にそれぞれ付着したものである。しかし、フィルム3は、第1フィルム4と第2フィルム5とを接合した状態にてプレート2を包む袋形状であっても良い。
The film 3 includes the
フィルム3は、好ましくは、樹脂またはゴムである。フィルム3は、プレート2を構成する樹脂の上記好適な選択肢の内の1または2以上を主材とし、より好ましくはPEEKおよびPPSの内の少なくとも1つを主材とする。ここで、「主材」とは、フィルム3の50質量%を超える比率を占める材料を意味する。主材は、フィルム3の質量に対して50質量%を超える限り、例えば、51質量%、60質量%、70質量%、80質量%、90質量%、95質量%または100質量%でも良い。 The film 3 is preferably made of resin or rubber. The film 3 is mainly made of one or more of the above-mentioned preferred options for the resin constituting the plate 2, and more preferably at least one of PEEK and PPS. Here, "main material" means a material that occupies more than 50% by mass of the film 3. The main material may be, for example, 51%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% or 100% by mass, as long as it exceeds 50% by mass relative to the mass of the film 3.
フィルム3の厚さは、好ましくは2μm以上50μm以下、より好ましくは4μm以上35μm以下である。フィルム3の厚さを2μm以上、さらには4μm以上とすると、セパレータ1のガスバリア性能をより高く、強度(曲げ強度)をより高く、取り扱いやすさをより高くできる。一方、フィルム3の厚さを50μm以下、さらには20μm未満とすると、体積抵抗をより低くできる。第1フィルム4と第2フィルム5とを同一の厚さとし、あるいは異なる厚さにしても良い。この実施形態では、強度はJIS K7171にて測定される曲げ強さを意味する。 The thickness of the film 3 is preferably 2 μm or more and 50 μm or less, more preferably 4 μm or more and 35 μm or less. If the thickness of the film 3 is 2 μm or more, or even 4 μm or more, the separator 1 can have higher gas barrier performance, higher strength (bending strength), and easier handling. On the other hand, if the thickness of the film 3 is 50 μm or less, or even less than 20 μm, the volume resistance can be lowered. The first film 4 and the second film 5 may have the same thickness or different thicknesses. In this embodiment, strength means bending strength measured according to JIS K7171.
プレート2を構成する樹脂の主材と、フィルム3の主材とを同一種の熱可塑性樹脂とすることもできる。その場合、プレート2の表面近くの樹脂と、プレート2を被覆するフィルム3とを一体化できるので、セパレータ1のさらなる強度向上を図ることができる。当該熱可塑性樹脂としては、好ましくはPEEKまたはPPSである。 The main material of the resin constituting the plate 2 and the main material of the film 3 can be the same type of thermoplastic resin. In that case, the resin near the surface of the plate 2 and the film 3 covering the plate 2 can be integrated, which further improves the strength of the separator 1. The thermoplastic resin is preferably PEEK or PPS.
2.燃料電池用セパレータの製造方法
図3は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造工程の概略を示す。
2. Method for Producing Fuel Cell Separator Fig. 3 shows an outline of the process for producing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention.
この実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレート2と、フィルム3とを備える燃料電池用セパレータ1を製造する方法である。当該製造方法は、第1フィルム配置工程(S100)、被成形物配置工程(S200)、第2フィルム配置工程(S300)および成形工程(S400)を含み、好ましくは、S100、S200、S300、S400の順に進行する。 The manufacturing method for a fuel cell separator according to this embodiment is a method for manufacturing a fuel cell separator 1 including a plate 2 containing granular or fibrous graphite and granular or fibrous resin as constituent materials, and a film 3. The manufacturing method includes a first film arrangement step (S100), a molding object arrangement step (S200), a second film arrangement step (S300), and a molding step (S400), and preferably proceeds in the order of S100, S200, S300, and S400.
第1フィルム配置工程は、金型内に、フィルム3を形成するための第1フィルム4を配置する工程である。被成形物配置工程は、グラファイトと樹脂とを少なくとも混合した混合物(「被成形物」の一例)を、第1フィルム4上に配置する工程である。当該混合物に代えて、プレート2の表面に溝30,32を備える溝付きプレート、または溝付きプレートに溝30,32を備えていない状態のプリプレートを配置しても良い。
The first film placement process is a process of placing the first film 4 for forming the film 3 in the mold. The molding target placement process is a process of placing a mixture of at least graphite and resin (one example of a "molding target") on the first film 4. Instead of the mixture, a grooved
第2フィルム配置工程は、フィルム3を形成するための第2フィルム5を、被成形物上に配置する工程である。第2フィルム配置工程により、金型内に、第1フィルム4と第2フィルム5によって挟まれた被成形物を存在させることができる。成形工程は、被成形物を第1フィルム4と第2フィルム5によって挟んだ状態にて金型を閉じて成形を行い、第1フィルム4および第2フィルム5をプレート2の表面に付着させる工程である。被成形物を上記混合物または上記プリプレートとする場合には、成形工程によって、溝30,32の形成と、プレート2の形状への成形と、フィルム3のプレート2への付着とを同時進行させることができる。一方、被成形物を溝付きプレートとする場合には、第1フィルム4および第2フィルム5のプレート2への付着が行われる。
The second film placement process is a process of placing the second film 5 for forming the film 3 on the object to be molded. The second film placement process allows the object to be sandwiched between the first film 4 and the second film 5 in the mold. The molding process is a process of closing the mold with the object to be molded sandwiched between the first film 4 and the second film 5, and attaching the first film 4 and the second film 5 to the surface of the plate 2. When the object to be molded is the mixture or the preplate, the molding process allows the formation of the
次に、燃料電池用セパレータの製造方法を、より詳細に説明する。 Next, we will explain in more detail the manufacturing method for fuel cell separators.
図4は、図3の第1フィルム配置工程、被成形物配置工程および第2フィルム配置工程までの進行状況を金型等の断面視にて示す。 Figure 4 shows the progress of the first film placement process, the molding object placement process, and the second film placement process in Figure 3 in cross-sectional views of the mold, etc.
(1)第1フィルム配置工程
まず、分割式の金型60の内の一方の金型(ここでは「第1金型」という)40を用意する(図中の(a)を参照)。第1金型40の内側(より具体的には内底面)41には、溝32の転写用の凹凸42が形成されている。続いて、第1フィルム4を、第1金型40の凹凸42を覆うように、第1金型40の内側41に敷く(図中の(b)を参照)。
(1) First Film Placement Step First, one of the split molds 60 (herein referred to as the "first mold") 40 is prepared (see (a) in the figure). The inside (more specifically, the inner bottom surface) 41 of the first mold 40 has projections and recesses 42 for transferring the grooves 32 formed thereon. Next, the first film 4 is laid on the inside 41 of the first mold 40 so as to cover the projections and recesses 42 of the first mold 40 (see (b) in the figure).
(2)被成形物配置工程
次に、第1金型40の内側41に敷いた第1フィルム4上に、グラファイトと樹脂とを少なくとも混合した混合物2aを載せる(図中の(c)を参照)。混合物2aは、好ましくは、予め、ボールミル等の手法によって、粉砕と混合の処理、若しくは混合のみの処理を施したものである。混合物2aは、その厚さをより均一化させて、第1フィルム4上に配置させるのが好ましい。
(2) Molding object placement step Next, a mixture 2a, which is at least a mixture of graphite and resin, is placed on the first film 4 placed on the inside 41 of the first die 40 (see (c) in the figure). The mixture 2a is preferably subjected in advance to a process of pulverization and mixing, or a process of only mixing, by a method such as a ball mill. It is preferable that the mixture 2a is placed on the first film 4 with its thickness made more uniform.
(3)第2フィルム配置工程
次に、混合物2aの上から第2フィルム5を被せる(図中の(d)を参照)。この結果、第1金型40の内側41に、第1フィルム4、混合物2a、第2フィルム5の順に積層した状態になる。
(3) Second film placement step Next, the second film 5 is placed over the mixture 2a (see (d) in the figure). As a result, the first film 4, the mixture 2a, and the second film 5 are laminated in this order on the inside 41 of the first mold 40.
図5は、図4に続いて、成形工程およびそれ以降の進行状況を金型等の断面視にて示す。 Figure 5, following Figure 4, shows the molding process and subsequent progress in cross-section of the mold, etc.
(4)成形工程
第2フィルム配置工程に続いて、分割式の金型60の内の他方の金型(ここでは「第2金型」という)50を、第1金型40の上から被せて、金型60を閉じる(図中の(e)および(f)を参照)。第2金型50の内側(より具体的には内底面)51には、溝30の転写用の凹凸52が形成されている。金型60を閉じた後、加圧および加熱を施して、混合物2aの成形を行う(図中の(g)を参照)。すなわち、凹凸42,52を備えた金型60を用いて、混合物2aの成形、溝30,32の形成、および混合物2aの成形体の表側の面および裏側の面への第1フィルム4と第2フィルム5の付着を行う。第1フィルム4および第2フィルム5は、プレート2の表側の面、裏側の面、側面(端面ともいう)の一部を覆った状態のフィルム3となる。この実施形態では、フィルム3は、プレート2を完全に包んでいないが、プレート2の表側の面、裏側の面、端面を全て覆った袋形状であっても良い。なお、成形は、例えば、低圧での加温、加温昇圧、保圧状態での冷却の順で行うことができる。成形工程における成形時の最高温度は、好ましくは300℃以上450℃以下である。例えば、第1フィルム4および第2フィルム5にPPSを用いる場合には、好ましくは320℃以上380℃以下、より好ましくは330℃以上360℃以下である。また、例えば、第1フィルム4および第2フィルム5にPEEKを用いる場合には、好ましくは350℃以上450℃以下、より好ましくは360℃以上400℃以下である。成形時の温度は、第1フィルム4の種類、第2フィルム5の種類およびプレート2に用いる樹脂の種類に応じて、プレート2用の樹脂が溶融若しくは軟化してグラファイトを固定すると共に、第1フィルム4および第2フィル5がプレート2から容易に分離しないように密着固定されるように、適宜変更可能である。
(4) Molding Step Following the second film placement step, the other mold (herein referred to as the "second mold") 50 of the split mold 60 is placed over the first mold 40, and the mold 60 is closed (see (e) and (f) in the figure). The inside (more specifically, the inner bottom surface) 51 of the second mold 50 is formed with unevenness 52 for transferring the
(5)取出工程
成形工程の後、成形体70を金型60から取り出す(図中の(h)を参照)。
(5) Removal Step After the molding step, the molded body 70 is removed from the mold 60 (see (h) in the figure).
図6は、変形例1に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物としてプリプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。 Figure 6 shows a cross-sectional view of the mold and other parts during the workpiece placement process in the manufacturing method for fuel cell separators according to variant 1, when a preplate is used as the workpiece.
変形例1では、被成形物として、溝付きプレートに溝30,32を備えていない状態のプリプレート80を用いる。プリプレート80は、被成形物配置工程に先立ち、金型60内に混合物2aを投入してプリ成形することによって得られる。プリ成形(仮成形あるいは半成形ともいう)は、プレート2を完全に成形すると場合と異なり、混合物2aを単に賦形しただけで、グラファイト同士を樹脂で完全に結着するに至っていない状態にとどめる成形を意味する。金型60の内側に、溝30,32の転写用の凹凸42,52を備える点は、図4を参照して先に説明した製造方法と同様である。変形例1の被成形物配置工程では、第1フィルム4上にプリプレート80を配置する(図中の(c1)を参照)。その後の成形工程では、プリプレート80を第1フィルム4と第2フィルム5によって挟んだ状態にて金型60を閉じて成形を行い、第1フィルム4および第2フィルム5を溝付きプレートの表面に付着させることができる。
In the first modified example, a preplate 80 is used as the molding object, which is a grooved plate without
図7は、変形例2に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物として溝付きプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。 Figure 7 shows a cross-sectional view of the mold and other parts during the workpiece placement process in the manufacturing method for fuel cell separators according to variant 2, when a grooved plate is used as the workpiece.
変形例2では、被成形物として、溝付きプレート90を用いる。溝付きプレート90は、被成形物配置工程に先立ち、金型60内に混合物2aを投入して成形することによって得られる。金型60は、その内側に、溝30,32に挿入可能な凹凸42,52を備える。変形例2の被成形物配置工程では、第1フィルム4上に溝付きプレート90を配置する(図中の(c2)を参照)。この際、凹凸42,52は、溝付きプレート90の表面側の溝および裏面側の溝に嵌る。その後の成形工程では、溝付きプレート90を第1フィルム4と第2フィルム5によって挟んだ状態にて金型60を閉じて成形を行い、第1フィルム4および第2フィルム5を溝付きプレート90の表面に付着させることができる。
In the second modification, a grooved plate 90 is used as the object to be molded. The grooved plate 90 is obtained by pouring the mixture 2a into the mold 60 and molding it prior to the object to be molded placement step. The mold 60 has irregularities 42, 52 on its inside that can be inserted into the
3.その他の実施形態
上述のように、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形して実施可能である。
3. Other Embodiments As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these and can be practiced in various modifications.
セパレータ1の溝30は、図1の白矢印で示す方向にガスを流す流路以外の流路を形成する溝でも良い。また、溝32は、如何なる形態の流路を形成する溝でも良い。例えば、溝30をセパレータ1の一端から他端に向かう直線的な流路を形成する溝とし、溝32を溝30に対して略直角方向の直線的な流路を形成する溝としても良い。また、セパレータ1は、溝30および溝32の少なくとも一方を形成していないものでも良い。
上記実施形態では、プリプレート80は、溝30,32に相当する溝を全く備えていないが、溝30,32より浅い溝を備えていても良い。その場合、金型60を閉じて成形した際に、予め形成された上記浅い溝を深くして、溝30,32に変化させることができる。
In the above embodiment, the preplate 80 does not have any grooves equivalent to the
成形工程の後に、フィルム3の余分な領域をトリミングするトリミング工程を行っても良い。 After the molding process, a trimming process may be performed to trim off excess areas of film 3.
次に、本発明の実施例を、比較例と比較しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be described in comparison with comparative examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.
1.プレートの主な原料
(1)グラファイト
燃料電池用セパレータ(以後、「セパレータ」ともいう)のプレートの構成材料となるグラファイト粉末には、オリエンタル工業(株)製の1707SJを用いた。
(2)樹脂
セパレータのプレートの構成材料となる樹脂として、ポリフェニレンフルファイ(PPS)の粉末を用いた。PPSには、東レ(株)製のトレリナM2888のフレーク状のPPS粉末を冷凍粉砕して平均粒径50μmに調整したPPS微粉末を用いた。
1. Main Raw Materials of Plates (1) Graphite Graphite powder, which is a constituent material of the plates of the fuel cell separator (hereinafter also referred to as "separator"), was 1707SJ manufactured by Oriental Kogyo Co., Ltd.
(2) Resin As the resin for the separator plate, a polyphenylene sulfide (PPS) powder was used. The PPS used was a fine PPS powder obtained by freeze-pulverizing flake-shaped PPS powder of Torelina M2888 manufactured by Toray Industries, Inc. to an average particle size of 50 μm.
2.成形前の原料の前処理
上記グラファイト粉末および上記樹脂の粉末を、ジルコニアボールを用いてボールミル粉砕して、両種粉末の混合と粉砕とを行った。当該ボールミル粉砕は、混合粉末の粒度が平均粒径90±10μmとなることを粒度分布の測定(レーザ回折/散乱式粒子径分布測定法による測定)を通じて確認した時点で終了した。
2. Pretreatment of raw materials before molding The graphite powder and the resin powder were mixed and pulverized in a ball mill using zirconia balls. The ball mill pulverization was completed when it was confirmed through particle size distribution measurement (measurement by laser diffraction/scattering particle size distribution measurement method) that the particle size of the mixed powder was 90±10 μm on average.
3.フィルム
セパレータ用のフィルムには、PPS、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)をそれぞれ用いた。PPS製のフィルムには、東レ(株)製の厚さ4~35μmの範囲にある複数種のフィルム(品番:トレリナ4-1X00、トレリナ9-3071)を用いた。PEEK製のフィルムには、ソルベイスペシャルティポリマーズ社製の原材料(品番:KT-851NL SP)を使用した厚さ6~35μmの信越ポリマー(株)製のフィルムを用いた。
3. Films For the separator films, PPS and polyether ether ketone (PEEK) were used. For the PPS films, several types of films (product numbers: TORELINA 4-1X00, TORELINA 9-3071) manufactured by Toray Industries, Inc. with thicknesses ranging from 4 to 35 μm were used. For the PEEK films, films manufactured by Shin-Etsu Polymer Co., Ltd. with thicknesses of 6 to 35 μm and using raw materials (product number: KT-851NL SP) manufactured by Solvay Specialty Polymers, Inc. were used.
4.金型
金型としては、上下分割式の大同特殊鋼(株)製プリハードン鋼NAK80を工材とした金型を用いた。閉じた状態の金型内部には、セパレータを成形可能な空間(約63cm3)が形成されている。また、上下各金型の内側の底部には、セパレータの溝を形成するための凹凸が形成されている。
4. Mold The mold used was a top-bottom split mold made of pre-hardened steel NAK80 manufactured by Daido Steel Co., Ltd. When closed, a space (approximately 63 cm3 ) was formed inside the mold in which the separator could be molded. In addition, the bottom of the inside of each of the top and bottom dies had projections and recesses for forming the grooves of the separator.
5.評価方法
(1)溝の賦形性
セパレータ溝凹凸部の外観に未充となる欠けやざらつきが存在する場合には、不合格(NG)と評価した。以上についての不具合無く、成形可能である場合には、合格(A)と評価した。
(2)体積抵抗率
セパレータの体積抵抗率は、JIS K7194に基づき、三菱ケミカルアナリテック(株)製の装置(Loresta-GX T-700)を用いて測定した。体積抵抗率が2.0mΩcm未満の場合には合格(A)と評価した。体積抵抗率が2.0を超えて3.0mΩcm以下の場合には合格(B)と評価した。体積抵抗率が3.0を超えて4.0mΩcm以下の場合には合格(C)と評価した。体積抵抗率が4.0を超えて5.0mΩcm以下の場合には合格(D)と評価した。体積抵抗率が5.0mΩcmを超える場合には不合格(NG)と評価した。
(3)曲げ試験
セパレータの曲げ試験は、JIS K7171に基づき、(株)オリエンテック製の装置(テンシロン万能試験機 RTC-1310A)を用いて測定した。
・曲げ強度
曲げ強度が60MPa以上の場合には合格(A)と評価した。曲げ強度が50以上60MPa未満の場合には合格(B)と評価した。曲げ強度が50MPa未満の場合には不合格(NG)と評価した。
・曲げひずみ
曲げひずみが0.80%以上の場合には合格(A)と評価した。曲げひずみが0.65以上0.80%未満の場合には合格(B)と評価した。曲げひずみが0.50以上0.65%未満の場合には合格(C)と評価した。曲げひずみが0.50%未満の場合には不合格(NG)と評価した。
(4)ガス透過係数
セパレータのガス透過係数は、Heガスを用いて、JIS K7126-1に基づき、理化精機工業(株)製の気体透過率測定装置(K-315-N-03)を用いて測定した。透過係数が1.0×10-18mol・m/m2・sec・Pa未満の場合には合格(A)と評価した。透過係数が1.0×10-18以上1.0×10-16mol・m/m2・sec・Pa未満の場合には合格(B)と評価した。透過係数が1.0×10-16以上1.0×10-15mol・m/m2・sec・Pa未満の場合には合格(C)と評価した。透過係数が1.0×10-15以上1.0×10-14mol・m/m2・sec・Pa未満の場合には合格(D)と評価した。透過係数が6.0×10-14mol・m/m2・sec・Pa以上の場合には不合格(NG)と評価した。
(5)総合評価
各特性値評価において、A:4点、B:3点、C:2点およびD:1点として、各実施例・各比較例の総得点を集計した。点数に応じた評価は、以下の通りである。
AAA評価:総得点 18点
AA評価:総得点 17点
A評価:総得点 16点又は15点
NG評価:NG評価の項目数が1個以上有る場合
5. Evaluation method (1) Formability of grooves If there were chips or roughness on the appearance of the separator groove unevenness, it was rated as "Failed" (NG). If there were no defects and it was possible to mold it, it was rated as "Passed" (A).
(2) Volume resistivity The volume resistivity of the separator was measured using an apparatus (Loresta-GX T-700) manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd. based on JIS K7194. When the volume resistivity was less than 2.0 mΩcm, it was evaluated as pass (A). When the volume resistivity was more than 2.0 and not more than 3.0 mΩcm, it was evaluated as pass (B). When the volume resistivity was more than 3.0 and not more than 4.0 mΩcm, it was evaluated as pass (C). When the volume resistivity was more than 4.0 and not more than 5.0 mΩcm, it was evaluated as pass (D). When the volume resistivity was more than 5.0 mΩcm, it was evaluated as fail (NG).
(3) Bending Test The bending test of the separator was performed according to JIS K7171 using an apparatus manufactured by Orientec Co., Ltd. (Tensilon Universal Tester RTC-1310A).
Bending strength: When the bending strength was 60 MPa or more, it was evaluated as pass (A). When the bending strength was 50 MPa or more and less than 60 MPa, it was evaluated as pass (B). When the bending strength was less than 50 MPa, it was evaluated as fail (NG).
Bending strain: When the bending strain was 0.80% or more, it was evaluated as pass (A). When the bending strain was 0.65% or more and less than 0.80%, it was evaluated as pass (B). When the bending strain was 0.50% or more and less than 0.65%, it was evaluated as pass (C). When the bending strain was less than 0.50%, it was evaluated as fail (NG).
(4) Gas Permeability Coefficient The gas permeability coefficient of the separator was measured using He gas based on JIS K7126-1 using a gas permeability measuring device (K-315-N-03) manufactured by Rika Seiki Kogyo Co., Ltd. When the permeability coefficient was less than 1.0×10 −18 mol·m/m 2 ·sec·Pa, it was evaluated as pass (A). When the permeability coefficient was 1.0×10 −18 or more and less than 1.0×10 −16 mol·m/m 2 ·sec·Pa, it was evaluated as pass (B). When the permeability coefficient was 1.0×10 −16 or more and less than 1.0×10 −15 mol·m/m 2 ·sec·Pa, it was evaluated as pass (C). A permeability coefficient of 1.0×10 −15 or more and less than 1.0×10 −14 mol·m/m 2 ·sec·Pa was evaluated as pass (D). A permeability coefficient of 6.0×10 −14 mol·m/m 2 ·sec·Pa or more was evaluated as fail (NG).
(5) Overall Evaluation In the evaluation of each characteristic value, the total points of each Example and Comparative Example were calculated as follows: A: 4 points, B: 3 points, C: 2 points, and D: 1 point. The evaluation according to the points is as follows:
AAA grade: Total score 18 points AA grade: Total score 17 points A grade: Total score 16 points or 15 points NG grade: If there is one or more items with an NG grade
6.燃料電池用セパレータの製造
<実施例>
(1)実施例1
分割式の金型を構成する下金型の内側の凹部に、厚さ6μmのPEEKフィルムを敷き、当該フィルム上に、ボールミル粉砕後の粉末状態の混合物(グラファイト+PPS)を供した。上記混合物は、グラファイト粉末120gと、PPS粉12gとの混合粉末(PPS100質量部に対してグラファイト1000質量部に相当)とした。次に、当該混合物の厚さがほぼ均一になるようにして、その上から厚さ6μmのPEEKフィルムを載せた。次に、分割式の金型を構成する上金型と、上記下金型とを閉じて成形を行った。成形は、面圧480kgf/cm2にて、金型の温度が360℃迄上昇するように、3分間保持した。成形終了後に、金型を開き、成形体を取り出し、セパレータの製造を終了した。セパレータは、上記評価方法にて評価した。
(2)実施例2
厚さ6μmのPEEKフィルムに代えて、厚さ4μmのPPSフィルムを用い、成形時の温度を360℃から330℃に変更した以外、実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(3)実施例3
厚さ6μmのPEEKフィルムに代えて、厚さ9μmのPPSフィルムを用い、成形時の温度を360℃から330℃に変更した以外、実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(4)実施例4
厚さ6μmのPEEKフィルムに代えて、厚さ15μmのPEEKフィルムを用い、
実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(5)実施例5
厚さ6μmのPEEKフィルムに代えて、厚さ35μmのPEEKフィルムを用い、
実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(6)実施例6
成形の保持時間を1分間とする以外は、実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(7)実施例7
成形の保持時間を1分間とする以外は、実施例2と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
(8)実施例8
成形の保持時間を1分間とする以外は、実施例3と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
6. Manufacturing of Fuel Cell Separators <Example>
(1) Example 1
A 6 μm thick PEEK film was laid on the inner recess of the lower die constituting the split type die, and a powdered mixture (graphite + PPS) after ball mill pulverization was provided on the film. The mixture was a mixed powder of 120 g of graphite powder and 12 g of PPS powder (corresponding to 1000 parts by mass of graphite per 100 parts by mass of PPS). Next, a 6 μm thick PEEK film was placed on top of the mixture so that the thickness of the mixture was almost uniform. Next, the upper die and the lower die constituting the split type die were closed to perform molding. The molding was performed for 3 minutes at a surface pressure of 480 kgf/cm 2 so that the temperature of the die rose to 360° C. After molding was completed, the die was opened, the molded body was removed, and the production of the separator was completed. The separator was evaluated by the above evaluation method.
(2) Example 2
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 1, except that a 4 μm thick PPS film was used instead of the 6 μm thick PEEK film and the molding temperature was changed from 360° C. to 330° C.
(3) Example 3
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 1, except that a 9 μm thick PPS film was used instead of the 6 μm thick PEEK film and the molding temperature was changed from 360° C. to 330° C.
(4) Example 4
Instead of the 6 μm thick PEEK film, a 15 μm thick PEEK film was used.
A separator was produced under the same conditions as in Example 1 and evaluated.
(5) Example 5
Instead of the 6 μm thick PEEK film, a 35 μm thick PEEK film was used.
A separator was produced under the same conditions as in Example 1 and evaluated.
(6) Example 6
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 1, except that the holding time of the molding was set to 1 minute.
(7) Example 7
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 2, except that the holding time of the molding was 1 minute.
(8) Example 8
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 3, except that the holding time of the molding was 1 minute.
<比較例>
(1)比較例1
分割式の金型を構成する下金型の内側の凹部に、ボールミル粉砕後の粉末状態の混合物(グラファイト+PPS)を供した。上記混合物は、グラファイト粉末99gと、PPS粉末30gとの混合粉末(PPS100質量部に対してグラファイト330質量部に相当)とした。次に、分割式の金型を構成する上金型と、上記下金型とを閉じて成形を行った。成形は、面圧360kgf/cm2にて、型温が320℃迄上昇するように、3分間保持した。成形終了後に、金型を開き、成形体を取り出し、セパレータの製造を終了した。セパレータは、上記評価方法にて評価した。
(2)比較例2
混合物(グラファイト+PPS)を、グラファイト粉末120gと、PPS粉末12gとの混合粉末(PPS100質量部に対してグラファイト1000質量部に相当)とした以外を、実施例1と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
Comparative Example
(1) Comparative Example 1
A powder mixture (graphite + PPS) after ball milling was provided in the recess on the inside of the lower die constituting the split die. The mixture was a mixed powder of 99 g of graphite powder and 30 g of PPS powder (corresponding to 330 parts by mass of graphite per 100 parts by mass of PPS). Next, the upper die constituting the split die and the lower die were closed to perform molding. The molding was performed for 3 minutes at a surface pressure of 360 kgf/ cm2 so that the mold temperature rose to 320°C. After molding was completed, the die was opened, the molded body was removed, and the production of the separator was completed. The separator was evaluated by the above evaluation method.
(2) Comparative Example 2
A separator was produced and evaluated under the same conditions as in Example 1, except that the mixture (graphite + PPS) was a mixed powder of 120 g of graphite powder and 12 g of PPS powder (corresponding to 100 parts by mass of graphite per 100 parts by mass of PPS).
7.結果
表1および表2に、各実施例および各比較例の製造条件および評価結果を示す。
7. Results Tables 1 and 2 show the production conditions and evaluation results of each of the examples and comparative examples.
比較例1については、プレート賦形性および体積抵抗率がNG評価、曲げ強さおよびHeガス透過係数がB評価、曲げひずみがC評価となり、総合評価としてはNGとなった。比較例2については、プレート賦形性、Heガス透過係数および曲げ強さがNG評価、曲げひずみがC評価となったが、体積抵抗率はA評価であり、総合評価としてはNGとなった。 For Comparative Example 1, plate formability and volume resistivity were rated NG, bending strength and He gas permeability coefficient were rated B, and bending strain was rated C, resulting in an overall rating of NG. For Comparative Example 2, plate formability, He gas permeability coefficient, and bending strength were rated NG, bending strain was rated C, but volume resistivity was rated A, resulting in an overall rating of NG.
これに対して、実施例1については、プレート賦形性および体積抵抗率がA評価、曲げ強さおよび曲げひずみがB評価、Heガス透過係数がC評価となり、総合評価としてはA(総得点:16点)となった。実施例2については、プレート賦形性および体積抵抗率がA評価、曲げ強さおよび曲げひずみがB評価、Heガス透過係数がD評価となり、総合評価としてはA(総得点:15点)となった。実施例5については、プレート賦形性、曲げ強さおよび曲げひずみがA評価、Heガス透過係数がB評価、体積抵抗率がD評価となり、総合評価としてはA(総得点:16点)となった。実施例3については、プレート賦形性、体積抵抗率および曲げひずみがA評価、曲げ強さがB評価、Heガス透過係数がC評価となり、総合評価としてはAA(総得点:17点)となった。実施例7については、プレート賦形性および体積抵抗率がA評価、曲げ強さ、曲げひずみおよびHeガス透過係数がB評価となり、総合評価としてはAA(総得点:17点)となった。更に、実施例4については、プレート賦形性、体積抵抗率および曲げひずみがA評価、曲げ強さおよびHeガス透過係数がB評価となり、総合評価としてはAAA(総得点:18点)となった。実施例6および実施例8については、プレート賦形性、体積抵抗率およびHeガス透過係数がA評価、曲げ強さおよび曲げひずみがB評価となり、総合評価としてはAAA(総得点:18点)となった。 In contrast, for Example 1, plate formability and volume resistivity were rated A, bending strength and bending strain were rated B, and He gas permeability was rated C, resulting in an overall rating of A (total score: 16 points). For Example 2, plate formability and volume resistivity were rated A, bending strength and bending strain were rated B, and He gas permeability was rated D, resulting in an overall rating of A (total score: 15 points). For Example 5, plate formability, bending strength and bending strain were rated A, He gas permeability was rated B, and volume resistivity was rated D, resulting in an overall rating of A (total score: 16 points). For Example 3, plate formability, volume resistivity and bending strain were rated A, bending strength was rated B, and He gas permeability was rated C, resulting in an overall rating of AA (total score: 17 points). For Example 7, the plate formability and volume resistivity were rated A, and the bending strength, bending strain, and He gas permeability coefficient were rated B, resulting in an overall rating of AA (total score: 17 points). Furthermore, for Example 4, the plate formability, volume resistivity, and bending strain were rated A, and the bending strength and He gas permeability coefficient were rated B, resulting in an overall rating of AAA (total score: 18 points). For Examples 6 and 8, the plate formability, volume resistivity, and He gas permeability coefficient were rated A, and the bending strength and bending strain were rated B, resulting in an overall rating of AAA (total score: 18 points).
以上の結果から、比較例1と、実施例1~3との比較から、どのフィルム、また厚みのものにおいても、表層にフィルムを使用する効果が確認できた。また、実施例1、実施例4および実施例5の結果から、表層のフィルム厚みとしては、適正な厚みとしては、実施例4のPEEK15μmが最適であることが確認できた。さらに、実施例1と実施例6との比較の結果、実施例2と実施例7との比較の結果、実施例3と実施例8との比較の結果から、成形時間を1分に短縮することで、表層にそれぞれ樹脂フィルムの形跡が残る(表層が有る)ことによる効果が確認できた。 From the above results, and from a comparison between Comparative Example 1 and Examples 1 to 3, it was confirmed that the effect of using a film on the surface layer was confirmed for any film and thickness. Also, from the results of Examples 1, 4, and 5, it was confirmed that the optimum thickness for the surface layer film was the 15 μm PEEK film of Example 4. Furthermore, from the results of a comparison between Examples 1 and 6, between Examples 2 and 7, and between Examples 3 and 8, it was confirmed that by shortening the molding time to 1 minute, the effect of leaving traces of the resin film on the surface (the presence of a surface layer) was achieved.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池に利用できる。 The fuel cell separator of the present invention can be used in fuel cells.
1・・・セパレータ(燃料電池用セパレータ)、2・・・プレート、2a・・・混合物(被成形物の一例)、3・・・フィルム、4・・・第1フィルム、5・・・第2フィルム、30,32・・・溝、31・・・表面、40・・・第1金型(金型の一構成部品)、41,51・・・内側、42,52・・・凹凸、50・・・第2金型(金型の一構成部品)、60・・・金型、80・・・プリプレート(被成形物の一例)、90・・・溝付きプレート(被成形物の一例)。
1...separator (fuel cell separator), 2...plate, 2a...mixture (an example of an object to be molded), 3...film, 4...first film, 5...second film, 30, 32...groove, 31...surface, 40...first mold (a component of the mold), 41, 51...inside, 42, 52...irregularities, 50...second mold (a component of the mold), 60...mold, 80...preplate (an example of an object to be molded), 90...grooved plate (an example of an object to be molded).
Claims (9)
前記フィルムの厚さが2μm以上50μm以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 a plate including granular or fibrous graphite and granular or fibrous resin as constituent materials, and a film consisting only of resin , the plate having a surface on which a groove is provided as a flow path, the film including the groove and the surface of the plate other than the groove, and covering at least the front surface and the back surface of the plate,
A fuel cell separator, characterized in that the thickness of the film is 2 μm or more and 50 μm or less .
金型内に、前記フィルムを形成するための第1フィルムを配置する第1フィルム配置工程と、
前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、前記プレートの表面に流路としての溝を備える溝付きプレート、または前記溝付きプレートに溝を備えていない状態のプリプレートの内のいずれか1つの被成形物を、前記第1フィルム上に配置する被成形物配置工程と、
前記フィルムを形成するための第2フィルムを、前記被成形物上に配置する第2フィルム配置工程と、
前記被成形物を前記第1フィルムと前記第2フィルムによって挟んだ状態にて前記金型を閉じて成形を行い、前記第1フィルムおよび前記第2フィルムを前記溝付きプレートの表面に付着させる成形工程と、
を含む燃料電池用セパレータの製造方法。 A method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
a first film positioning step of positioning a first film for forming the film in a mold;
a molding object placement step of placing, on the first film, one of a mixture of at least the graphite and the resin, a grooved plate having grooves on a surface of the plate as flow paths, and a preplate in a state where the grooved plate does not have grooves;
A second film placement step of placing a second film for forming the film on the molding object;
a molding process in which the mold is closed while the object to be molded is sandwiched between the first film and the second film, and the first film and the second film are attached to a surface of the grooved plate;
A method for producing a separator for a fuel cell comprising the steps of:
前記成形工程では、前記凹凸を備えた前記金型を用いて、前記混合物または前記プリプレートの成形、前記溝の形成、および前記混合物または前記プリプレートの成形体の表側の面および裏側の面への前記第1フィルムと前記第2フィルムの付着を行うことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 the molding object is a mixture of at least the graphite and the resin, or the preplate, and the inner surface of the die is provided with projections and recesses for transferring the grooves;
7. A method for manufacturing a fuel cell separator as described in claim 6, characterized in that in the molding process, the mold having the unevenness is used to mold the mixture or the preplate, form the grooves, and attach the first film and the second film to the front and back surfaces of the molded body of the mixture or the preplate.
前記成形工程では、前記金型を用いて、前記溝付きプレートの表側の面および裏側の面への前記第1フィルムと前記第2フィルムの付着を行うことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 The molding object is the grooved plate, and the inner side of the die has projections and recesses that can be inserted into the grooves,
7. The method for manufacturing a fuel cell separator as described in claim 6 , characterized in that in the molding process, the first film and the second film are attached to the front and back surfaces of the grooved plate using the mold.
9. The method for producing a fuel cell separator according to claim 6, wherein the resin in the mixture is a flaky resin powder.
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